接續前文:切換開關模式電源電流感測知識--Part 2

切換開關模式電源有三種常用的電流感測方法,分別為:使用感測電阻、使用MOSFET RDS(ON),以及使用電感的直流電阻(DCR)。其中每種方法都有優點和缺點,因此在選擇感測方法時應予以考慮。

感測電阻電流

作為電流感測元件的感測電阻,產生的感測誤差最(通常在1%~5%之間),溫度係數也非常低,約為100ppm/℃(0.01%)。在性能方面,其提供精準度最高的電源,有助於實現極為精確的電源限流功能,並且在多個電源並聯時還有利於實現精密均流。

20180831TA01P1 圖1 RSENSE電流感測

另一方面,因為電源設計中增加了電流感測電阻,所以電阻也會產生額外的功耗。因此,相較於其他感測技術,感測電阻電流監測技術可能具備更高的功耗,導致解決方案整體效率有所下降。專用電流感測電阻也可能增加解決方案成本,雖然一個感測電阻的成本通常在0.05~0.20美元之間。

選擇感測電阻時不應忽略的另一個參數,是其寄生電感(也稱為有效串聯電感或ESL)。感測電阻可以用一個電阻與一個有限電感串聯來正確模擬。

20180831TA01P2 圖2 RSENSE ESL模型

此電感取決於所選的特定感測電阻。某些類型的電流感測電阻,例如金屬板電阻,具有較低的ESL,應優先使用;相較之下,繞線感測電阻由於其封裝結構而具有較高的ESL,應避免使用。一般來說,ESL效應會隨著電流的增加、感測訊號幅度的減小,以及佈局不合理而變得更加明顯。電路的總電感還包括由元件引線和其他電路元件引起的寄生電感,且電路的總電感也受到佈局的影響,因此必須妥善考慮元件的佈局,不恰當的佈局可能影響穩定性並加劇現有電路設計問題。

感測電阻ESL的影響可能很輕微,也可能很嚴重。ESL會導致切換開關閘極驅動器發生明顯振盪,從而對切換開關導通產生不利影響。它還會增加電流感測訊號的漣波,導致波形中出現電壓階躍,而不是預期的如圖3所示的鋸齒波形,這會降低電流感測精準度。

20180831TA01P3 圖3 RSENSE ESL可能會對電流感測產生不利影響。

為使電阻ESL最小,應避免使用具有長迴路(如繞線電阻)或長引線(如厚電阻)的感測電阻。薄型表面黏著元件是為首選,例子包括板結構SMD尺寸0805、1206、2010和2512,更好的選擇包括倒幾何SMD尺寸0612和1225。

基於功率MOSFET的電流感測

利用MOSFET RDS(ON)進行電流感測,可以實現簡單且經濟高效的電流感測。LTC3878是一款採用這種方法的元件。它使用恆定導通時間谷值模式電流感測架構,頂部切換開關導通固定的時間,此後底部切換開關導通,其RDS壓降用於感測電流谷值或電流下限。

20180831TA01P4 圖4 MOSFET RDS(ON)電流感測。

雖然價格低廉,但這種方法還是有一些缺點。首先,其精準度不高,RDS(ON)值可能在很大的範圍內變化(大約33%或更多)。其溫度係數可能也非常大,在100℃以上時甚至會超過80%。另外,如果使用外部MOSFET,則必須考慮MOSFET寄生封裝電感。這種類型的感測不建議用於電流非常高的情況,特別是不適合多相電路,此類電路需要良好的相位均流。

電感DCR電流感測

電感直流電阻電流感測採用電感繞組的寄生電阻來測量電流,從而無需感測電阻。如此可降低元件成本,提高電源效率。相較於MOSFET RDS(ON),銅線繞組的電感DCR的元件間偏差通常較小,不過仍然會隨溫度而變化。它在低輸出電壓應用中受到青睞,因為感測電阻上的任何壓降都代表輸出電壓的一個相當大部分。將一個RC網路與電感和寄生電阻的串聯組合並聯,感測電壓在電容C1上測量(圖5)。

20180831TA01P5 圖5 電感DCR電流感測。

透過選擇適當的元件(R1 × C1 = L/DCR),電容C1兩端的電壓將與電感電流成正比。為了最大限度地減少測量誤差和雜訊,最好選擇較低的R1值。

電路不直接測量電感電流,因此無法感測電感飽和。推薦使用軟飽和的電感,如粉芯電感。相較於同等鐵芯電感,此類電感的磁芯損耗通常較高,而與RSENSE方法相比,電感DCR感測不存在感測電阻的功率損耗,但可能會增加電感的磁芯損耗。

使用RSENSE和DCR兩種感測方法時,由於感測訊號較小,故均需要凱爾文感測。必須讓凱爾文感測痕跡(圖5中的SENSE+和SENSE-)遠離高雜訊覆銅區和其他訊號痕跡,以將雜訊提取降至最低,這點很重要。某些元件(如LTC3855)具有溫度補償DCR感測功能,可提高整個溫度範圍內的精準度。

表1總結了不同類型的電流感測方法及其優缺點。

20180831TA01P5-1 表1 電流感測方法的優缺點。

表1所提到的每種方法都為切換開關模式電源提供額外的保護。取決於設計要求,精準度、效率、熱應力、保護和暫態性能方面的權衡都可能影響選擇過程。電源設計人員需要審慎選擇電流感測方法和功率電感,並正確設計電流感測網路。ADI 的LTpowerCAD設計工具和LTspice電路模擬工具等電腦軟體程式對於簡化設計工作並獲得最佳結果均大有助益。

其他電流感測方法

還有其他電流感測方法可供使用。例如,電流感測互感器常常與隔離電源一起使用,以跨越隔離閘對電流訊號資訊提供保護,這種方法通常比上述三種技術更昂貴。此外,近年來整合閘極驅動器(DrMOS)和電流感測的新型功率MOSFET也已出現,但到目前為止,還沒有足夠的資料來推斷DrMOS在感測訊號的精準度和品質方面表現如何。

軟體

LTspice軟體是一款強大、快速、免費的模擬工具、原理圖採集和波形檢視器,具有增強功能和模型,可改善切換開關穩壓器的模擬。另外,LTpowerCAD設計工具是一款完整的電源設計工具程式,可大幅簡化電源設計任務,其引導用戶尋找解決方案,選擇功率級元件,提供詳細效率資訊,顯示快速迴路波特圖穩定性和負載暫態分析,並可將最終設計匯出至LTspice進行模擬。